seegongsik
고등학교 2~3학년 (16-18세)

화학 평형

Chemical Equilibrium

뚜껑을 닫은 병 속의 물은 어느 순간부터 줄지 않는데, 증발이 멈춘 것이 아니라 증발하는 만큼 다시 응결하기 때문이에요. 화학 반응도 정반응과 역반응이 같은 속도로 계속 일어나면 농도가 더 변하지 않는 동적 평형에 이르고, 이때 생성물과 반응물의 농도비가 평형 상수 K 예요. K 는 온도가 같으면 처음에 무엇을 얼마나 넣었든 같은 값이 되고, 아무 순간의 농도로 같은 식을 계산한 반응 지수 Q 를 K 와 비교하면 반응이 어느 쪽으로 진행할지 알 수 있어요. 그림에서 K 를 바꾸면 평형 농도와 두 반응의 속도가, Q 를 바꾸면 반응이 나아갈 방향이 함께 바뀌어요.

동적 평형이란

💡 올라가는 에스컬레이터를 거꾸로 걷기
①올라가는 에스컬레이터에서 같은 빠르기로 거꾸로 걸어 내려오면 그 사람은 제자리에 머문다
②밖에서 보면 멈춘 것 같지만 다리도 계단도 쉬지 않고 움직이고 있다
③화학 평형도 같다. 정반응과 역반응이 멈춘 것이 아니라 같은 속도로 일어나서 농도가 변하지 않는다
④뚜껑 닫은 병 속의 물이 줄지 않는 것도 증발 속도와 응결 속도가 같아진 동적 평형이다

평형에 이르는 과정

2
🔍 K 의 크기로 읽는 평형
①K 가 크면 평형에서 생성물의 농도가 높다. K = 10 이면 [B] 가 [A] 의 10배여서 반응이 거의 끝까지 진행한 셈이다
②K 가 작으면 반응물이 많이 남는다. K = 0.1 이면 [B] 는 [A] 의 1/10 이다
③A ⇌ B 처럼 계수가 같은 반응에서 K = 1 이면 평형 농도가 반반이다
④두 번째 그림에서 정반응 속도는 [A] 가 줄면서 작아지고, 역반응 속도는 [B] 가 늘면서 커지다가, 둘이 같아지는 때부터 농도가 더 변하지 않는다
⑤K 는 온도에 따라서만 달라지고, 같은 온도에서는 농도나 압력을 바꿔도 변하지 않는다

평형 상수 K 와 반응 지수 Q

평형 상수(농도)
Kc = [C]c[D]d[A]a[B]b
aA + bB ⇌ cC + dD 에서 평형 농도로 계산한 생성물 대 반응물의 비
0.5
💡 Q 와 K 로 반응 방향 정하기
①Q 는 K 와 같은 식에 지금 이 순간의 농도를 넣은 값이다
②Q < K 이면 생성물이 평형보다 적어 정반응이 진행하고, 그동안 Q 가 커져 K 에 다가간다
③Q > K 이면 생성물이 평형보다 많아 역반응이 진행하고, Q 가 작아져 K 에 다가간다
④Q = K 이면 이미 평형이어서 겉으로 보이는 변화가 없다
⑤그림의 화살표는 Q 가 움직여 갈 방향, 곧 반응이 진행하는 방향이다

평형 상수 다루기

순수한 고체와 액체
K 식에는 순수한 고체와 액체를 넣지 않는다
농도가 일정하다고 보기 때문이다. 예: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) 이면 K = [CO₂]
📐 ICE 표로 평형 농도 구하기
①I(처음): 반응 전 농도를 적는다
②C(변화): 반응한 양을 x 로 두고, 계수비에 맞춰 늘거나 준 양을 적는다
③E(평형): 처음 농도에 변화량을 더해 평형 농도를 적는다
④평형 농도를 K 식에 넣어 x 를 구한다
⑤평형 농도를 묻는 문제는 대부분 이 순서로 풀린다

예제로 익히기

예제 1
H₂ + I₂ ⇌ 2HI 반응이 평형에 이르렀을 때 [H₂] = 0.1 M, [I₂] = 0.1 M, [HI] = 0.8 M 이다. 평형 상수 Kc 는?
1
생성물의 농도를 계수만큼 거듭제곱해 분자에, 반응물의 농도를 분모에 둔다.
Kc = [HI]2[H2][I2]
2
평형 농도를 넣는다.
Kc = 0.820.1 × 0.1 = 0.640.01 = 64
▸ Kc = 64
HI 의 계수 2 가 지수로 들어가 0.8² 이 된다. 세 물질이 모두 기체여서 모두 K 식에 들어간다.
예제 2
어떤 반응의 평형 상수가 K = 10 인데 지금 반응 지수가 Q = 2 이다. 반응은 어느 방향으로 진행하는가?
1
Q 와 K 를 비교한다. Q 가 K 보다 작으면 생성물이 평형보다 적다.
Q = 2 < K = 10
2
생성물이 더 생기는 방향, 곧 정반응 쪽으로 진행해 Q 가 10 에 다가간다.
Q < K ⇒ 정반응
▸ 정반응 쪽
그림에서 K 를 10, Q 를 2 로 두면 화살표가 Q 에서 K 쪽, 오른쪽을 가리킨다.

총정리

평형 상수
Kc = [생성물]계수[반응물]계수
온도에만 의존하고, 같은 온도에서는 농도나 압력을 바꿔도 변하지 않는다
수능 유형 변형
A ⇌ 2B 반응이 평형일 때 [A] = 0.5 M, [B] = 1.0 M이다. 평형 상수 Kc는?
①1
②2
③0.5
④4
⑤0.25
▸ ② 2
1
B 의 계수 2 가 지수로 들어가 Kc = [B]² / [A] 다.
Kc = [B]2[A]
2
평형 농도를 넣는다.
Kc = 1.020.5 = 2
🎯 시험 포인트
①평형에서는 정반응 속도 = 역반응 속도이고, 겉으로 보이는 농도 변화가 없다
②K > 1 이면 생성물 쪽, K < 1 이면 반응물 쪽으로 치우친 평형이다
③Q < K 이면 정반응, Q > K 이면 역반응, Q = K 이면 평형
④순수한 고체와 액체는 K 식에서 뺀다
⑤ICE 표로 평형 농도를 구한다
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반응 엔탈피
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평형의 이동

마지막 수정

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